建筑声学1

第3篇建筑声学人们所处的各种空间环境，总是伴随着一定的声环境。在各种空间环境里，人们对需要听的声音，希望听得清楚、听得好；对于不需要听的声音，则希望尽可能的降低，以减少其干扰。因此，适宜的声环境是人们对空间环境功能要求的组成部分。建筑声学是研究控制室内外声环境的一门重要学科。本课程的目的在于使建筑设计人员懂得控制声环境的要求、内容和方法，并能有效地综合到城市规划和建筑设计中去。第3篇建筑声学声音与人声音对人的审美感受的作用（利用声音与行为的互动关系来设计环境）“雨打芭蕉”苏州拙政园的“留听阁”——“秋阴不散霜飞晚，留得枯荷听雨声”“听雨轩”——“听雨入秋竹，留僧覆旧棋”。“听雨寒更彻，开门落叶深”绝对安静的影响；音乐疗法声音与人的行为方式音乐节奏与行为的关系噪声对人的影响听力丧失；损害身体和精神健康；噪声与社会生活；噪声对动物的影响；噪声的其他危害。声音客观存在主观感受（生理及心理影响）建筑声学声环境设计:是专门研究如何为建筑使用者创造一个合适的声音环境1、音质设计主要是音乐厅、剧院、礼堂、报告厅、多功能厅、电影院等。设计得好:音质丰满、浑厚、有感染力、为演出和集会创造良好效果。设计得不好:嘈杂、声音或干瘪或浑浊，听不清、听不好、听不见。2、隔声隔振主要是有安静要求的房间，如录音室、演播室、旅馆客房、居民住宅卧室等等。4、噪声的防止与治理了解噪声的标准,规划建筑设计阶段如何避免噪声、出现噪声如何解决以及交通噪声治理等。3、材料的声学性能测试与研究吸声材料：材料的吸声机理、如何测定材料的吸声系数、不同吸声材料的应用等等。隔声材料：材料的隔声机理，如何提高材料的隔声性能，如何评定材料的隔声性能，材料隔振的机理，不同材料隔振效果等。5、其他电声：随着电子工业日新月异的发展，电声系统在建筑中的应用越来越广泛，电声系统逐渐成为建筑中满足听闻功能要求的重要设备系统。第3.1章基本知识3.1.1基本概念周期：声源完成一次振动所经历的时间。符号：T，单位s频率：一秒钟内振动的次数。符号：f，单位：Hz。人耳可听范围：20~20000Hz,大于20000Hz为超声，低于20Hz为次声，250Hz以下的通常称为低频，250Hz至500Hz为中频，1kHz以上的称为高频。其中，人耳感觉最重要的部分约在100Hz~4000Hz,相应的波长约3.4m~8.5cm第3.1章基本知识波长：声波在传播途径上，两个相邻同相位质点间的距离。符号：λ，单位：m。声速：声波在弹性介质中传播的速度。符号：C,单位：m/s,介质的密度愈大，声音传播的速度愈快，在真空中的声速为0，在15ºC时，在空气中的速度C=340m/s.在0℃时，钢=5000m/s,水=1450m/sC=λ.f或C=λ/T(f=1/T)纵波:质点振动方向与波的传递方向平行。（声波）横波:质点振动方向与波的传递方向垂直。（水波）波阵面：声波从声源发出，在同一介质中按一定方向传播，在某一时刻，波动所到达的各点的包迹面称为波阵面平面波：波阵面平行于传播方向垂直的平面的波——面声源球面波：波阵面为同心球面的波—————————点声源柱面波：波阵面为同轴柱面的波—————————线声源声线：声波的传播方向可用声线来表示。声线是假想的垂直于波阵面的直线，主要用于几何声学中对声传播的跟踪。声源的方向性声波的传播是能量的传递，而非质点的转移。空气质点总是在其平衡点附近来回振动，而不传向远处。一般用声源的方向性来描述声源向空间各个方向辐射声波的能力，多用“极坐标图”来表示。声源的方向性强弱一方面与声源本身有很大关系，另一方面，与声波的频率有关。频率越高方向性越强。频带：人耳可听的频率范围相当（20Hz～20kHz），不可能处理某一单个的频率，只能将整个可听声音的频率范围划分成为许多频带，以便研究与声源频带有关的建筑材料和围蔽空间的声学特性。简单地说，频带是两个频率限值之间的连续频率，频带宽度是频率上限值与下限值之差。例如，假设任意选择的频带宽度为200Hz，第一个频带的下限频率为20Hz，上限频率为220Hz；后续的频带的下限频率和上限频率分别是220Hz和420Hz以及420Hz和620Hz，等等。在建筑声环境的研究中，借助音乐的概念把整个可听频率范围划分为许多倍频带。倍频带的上限频率是下限频率的2倍，例如从200Hz至400Hz是一个倍频带，其相邻的一个较高的倍频带是400Hz至800Hz。因为顺序的倍频带带宽都不相等，而是增加为2倍。例如从200Hz到400Hz的频带，带宽是200Hz；从400Hz到800Hz频带，带宽则为400Hz。因此，倍频带的中心频率须由上限频率与下限频率的几何平均值求得，就是上限频率与下限频率乘积的平方根。范围在200Hz至400Hz的频带，其中心频率是283Hz（可由算式求得）。将可听频率范围的声音分段测量，以中心频率作为本段的名称，分为：倍频程（倍频带）：f2/f1=2n,n=1，中心频率：125，250，500，1000，2000，，4000…Hz。1/3倍频程（1/3倍频带）：f2/f1=2n,n=1/3100,125,160;200,250,315;400,500,630;……中心频率是上限和下限的几何平均值f=f1f2f1=f2n求上限和下限频率：如中心频率为500Hz的下限频率为f1=356Hz;上限频率为f2=710Hz例如，把中心频率为125Hz的倍频带分为3个1/3倍频带时，它们的中心频率分别是100Hz（由125Hz被1.26除）、125Hz及160Hz（由125Hz乘1.26）。将可听频率范围的声音分段测量，以中心频率作为本段的名称，分为：倍频程（倍频带）：f2/f1=2n,n=1，中心频率：125，250，500，1000，2000，，4000…Hz。1/3倍频程（1/3倍频带）：f2/f1=2n,n=1/33.1.2声能分析透射系数：τ=——，τ小为隔声材料反射系数：γ=——，γ小为吸声材料吸声系数：α=1-γ=1-——=————吸声系数是指被吸收的声能（即没有被表面反射的部分）与入射声能之比。E0EγEαEτEτE0EγE0EγE0E0Eα+Eτ3.1.3声音的计量声功率是指声源在单位时间内向外辐射的声音能量，记作W，单位为瓦（W）或微瓦（µW）。在建筑声学中，对声源辐射的声功率，一般可看作是不随环境条件而改变的、属于声源本身的一种特性。所有声源的平均声功率都是很微小的。一个人在室内说话，自己感到比较合适时，其声功率大致是10～50µW，400万人同时大声讲话产生的功率只相当于一只40W灯泡的电功率，独唱或一件乐器辐射的声功率为几百至几千微瓦。充分而合理地利用人们讲话、演唱时发出的有限声功率，是室内声学研究的主要内容之一。3.1.3.1声功率、声强、声压、声能密度声功率：声源在单位时间内向外辐射的声能，符号：W，单位：瓦（W），微瓦（μW）声强：在单位时间内，垂直于声波传播方向的单位面积所通过的声能。符号：I，单位：（W/m2），在自由声场，点声源的声强随距离的平方呈反比，遵循平方反比定律：I=——(W/m2）平面波声强不变。I=——(W/m2）线声源的柱面波声强：I=——(W/m2）W4πr2W2πr1mWSS声压：某瞬时，介质中的压强相对于无声波时压强的改变量。符号：p,单位：N/m2,Pa（帕），μb（微巴）。1N/m2=1Pa=10μb在自由声场,声压与声强的关系:I=——(W/m2)式中:p——有效声压，N/m2；ρ0——空气密度，kg/m3,一般取1.225kg/m3；c——空气中的声速，340m/s;ρ0c——介质的特性阻抗，20°C时为415N•S/m3。声压和声强有密切的关系，在自由声场中，测得声压和已知测点到声源的距离，就可计算出该测点之声强和声源的声功率p2ρ0c声能密度声强为I的平面波，在单位面积上每秒传播的距离为C，则在这一空间中声能密度为：D=─（W·s/m3)IC问题提出两个同样的声源放在一起，感觉是否响一倍?3.1.3.2分贝、声功率级、声强级、声压级、声音的叠加对于频率为1000HZ的声音，听阈范围下限10-12W/m2声强上下相差一万亿倍上限1W/m2下限2×10-5N/m2声压上下相差一百万倍上限20N/m2因此直接用声强、声压来度量声音的强弱是很不方便，而且人耳对声音大小的感觉并不与声强、声压成正比，即人耳对声音变化的反应不是线性的，而是近似地与它们对数值成正比。如果以10倍为一级，即对比值为10,X为级数：——=10xX=log10——=lg—（BL贝尔）=10lg—（dB分贝）II0II0I0II0I声压级：一个声音的声压与基准声压之比的常用对数乘以20。Ｌp=20lg—(dB)（在0~120分贝之间）式中p０——参考声压（基准声压），p０＝２１０－５Ｎ／m2，使人耳感到疼痛的上限声压为２０Ｎ／m2当P=２０Ｎ／m2时Ｌp=20lg———=120（dB）从式中可知，声压每增加一倍，声压级就增加６dB,声压增加10倍声压级增加２０dB。声强级：一个声音的声强与基准声强之比的常用对数乘以10。ＬI=10lg—(dB)（在0~120分贝之间）式中I0——参考声强（基准声强），I0＝１０－１２W/m2，使人耳感到疼痛的上限声压为１0W/m2。20p0p２１０－５II0声功率级：一个声音的声功率与基准声功率之比的常用对数乘以10。ＬW=10lg—(dB)（在0~120分贝之间）式中Ｗ０——参考声功率（基准声功率），Ｗ０＝１０－１２W作业：证明两个数值不相等的声压级叠加（Ｌp1Lp2):叠加后的声压级Lp=Lp1+10lg(1+10)(dB)声音的叠加：声音的叠加不能将分贝值直接相加减，应将声压或声强相加减后再求声压级、声强级。声压级的叠加：Lp=20lg——————=20lg——=Lp1+10lgn(当P1=P2=P3=••·）二个相同声源声压叠加后（n=2），总声压级比一个声压级增加３dB，WW0LP1－Lp210P12+P22+P32+•••P0P0nP12如果声压级改变1dB，人们很难察觉这种变化，因此，对于声压级总是以整数表示。人耳能判断的声压最小变化是3dB，对于5dB的变化则有明显的感觉。在分贝标度中，声压每加1倍，声压级就增加6dB；声压每乘10，声压级就增加20dB；声压级每增加10dB，人耳主观听闻的响度大致增加1倍。人们长时间暴露在高于80dB的噪声级下，有可能导致暂时的或永久的听力损失。声压级相加的简单实用方法包括两个步骤：首先，算出拟相加的两个声压级差；其次，依下表决定拟加到较高一个声压级上的数值.例1．2在人行道测得2辆汽车声音的声压级分别是77dB和80dB，它们的总声压级是多少？解：两个声音的声压级差为80－77＝3dB，由表1－1可知需加在较高一个声压级上的量为2dB，所以总声压级为80＋2＝82dB。例:一个工业车间现有的噪声级为87dB，拟在车间新增加5台设备，每台设备噪声的声压级各为80dB。求安装新设备后车间噪声的总声压级。解：依前式可以算得新增5台设备的总声压级为80＋10lg5=87dB。依表1－1可知安装新设备后车间噪声的总声压级为90dB。由前述可知，3dB的增加是人耳能判断的变化。以上诸例说明：由许多声音组成的总声压级，并不与所组成的声源数量多少成比例，随着声压级的相加，各个声源在总的声压级增量中所起的作用逐渐减小；如果两个声音的声压级相等，总声压级比单个的声压级增加3dB,当声压级差大于10dB,总声压级就不在增加.声强级叠加：LI=10lg—————=10lg(—+—+—+•••)3.1.4声音在户外的传播（一）点声源随距离的衰减在自由声场中，声功率为W的点声源，在与声源距离为r处的声压级Lp和距离r的关系式：Lp=LI=10lg—=10lg———=10lg——•—Lp=Lw–20lgr–11（dB）点